ablativos

3.3 SISTEMAS DE PROTECCIÓN TÉRMICA Y MATERIALES COMPUESTOS ABLATIVOS

3.3.1 Definición y clasificación de los sistemas de protección térmica (TPS)

Los materiales ablativos se reconocen como materiales fungibles (de sacrificio), cuyas propiedades permiten catalogarlos como TPS en elementos recuperables, que en servicio son expuestos a elevadas temperaturas (≥1 500°C) [1]. Las funciones de un material ablativo se resumen en el hecho de ser refractario, aislante térmico, autoconsumible y resistente al desgaste y en cuanto a los esfuerzos térmicos [2] compuesto de dos zonas de matriz polimérica (termófijas y elastoplásticas. Como se ha mencionado anteriormente, los TPS juegan un papel fundamental para toda la industria aeroespacial. Dependiendo del entorno hipertérmico en el que deben trabajar estos materiales, se han desarrollados muchos tipos de formulaciones. Así, la Figura 44 resume las diferentes clases de materiales TPS basados en estos dos principios: materiales TPS no-ablativos y TPS ablativos, respectivamente. Figura 44. Clasificación de los sistemas de protección térmica (TPS). Fuente: adaptada de [5]. SOLO PARA USO ACADÉMICO Cuando se utilizan TPS no-ablativos para fabricar escudos térmicos, la re-radiación es el fenómeno principal en el que se basa el aislamiento del sustrato (Figura 45a). En este caso, los TPS no-ablativos se producen utilizando cerámicos refractarios o metales de alto punto de fusión (como el tungsteno, renio o molibdeno). La ablación es el segundo fenómeno relacionado con

la subdivisión de los materiales TPS (Figura 45b). A pesar de que algunos materiales no-poliméricos (como polímeros inorgánicos/cerámicas o metales) se han utilizado con éxito como TPS, los ablativos basados en matrices poliméricas (PACM) representan la clase más amplia y versátil de este tipo de materiales. SOLO PARA USO ACADÉMICO

Figura 45. Mecanismos de protección de los materiales TPS no-ablativos (a) y ablativos (b). Fuente: adaptada de [5].

Los PACM poseen la capacidad de ajustarse a una amplia variedad de entornos hipertérmicos diferentes. En efecto, los ablativos a base de polímeros representan la clase más grande y versátil de materiales TPS. La Figura 46 representa una clasificación más detallada de los materiales poliméricos ablativos. Las características y mecanismos de ablación de este tipo de materiales se abordan en el siguiente subcapítulo. Figura 46. Clasificación de los materiales poliméricos ablativos. Fuente: adaptada de [5]. 3.3.2 Compuestos ablativos de matriz polimérica (PACM) Dentro de los materiales actualmente utilizados para la fabricación de TPS se destacan los PACM, en gran parte debido a su versatilidad y posibilidad de reducir el peso (≈90 %) de los componentes sin sacrificar las propiedades ablativas de interés [4]. De hecho, en comparación con los materiales ablativos no-poliméricos, tales como los metales de alto punto de fusión (tungsteno, renio y molibdeno), compuestos cerámicos refractarios (carburos de silicio [SiC], circonio [ZrC], boro [B4C] o hafnio [HfC]) y polímeros inorgánicos, los PACM tienen algunas ventajas intrínsecas, como su densidad ajustable, bajo costo, menor conductividad térmica, elevada resistencia a la corrosión, mayor resistencia al choque térmico y la posibilidad de descomSOLO PARA USO ACADÉMICO ponerse térmicamente en productos volátiles de bajo peso molecular, entre otras [5], [6]. Por lo general, las resinas poliméricas (fenólicas, epoxi, poliéster y viniléster), utilizadas como aglomerante en los PACM, son termoestables y su

desempeño a elevadas temperaturas es limitado [9]; por tal razón, son modificadas con la incorporación de refuerzos particulados (rellenos) de tipo cerámico u óxidos refractarios (hafnio [HfO2], circonio [ZrO2], tántalo [Ta2O5], itrio [Y2O3] o alúmina [Al2O3]), y al mismo tiempo reforzadas con fibras cortas de tipo carbono, asbestos o vidrio [10], [13]. Al respecto, estas resinas han demostrado una adecuada adhesión con un amplio rango de materiales, tales como vidrio, cerámicos, metales y plásticos (excepto polietileno [PE} y polipropileno [PP]). En consecuencia, la incorporación de fillers tipo perlita expandida o vermiculita (8 %-32 % en volumen) [10] (3 %-10 % en peso) [13], mesoporous silica particles (5 %-20 % en peso) [11], óxido de zirconio (2 %-5 % en peso) [14] y carbon black (5 %-20 % en peso) [15], entre otras, han demostrado un efecto positivo sobre el desempeño ablativo de los PACM. En resumen, cuando los PACM son expuestos a temperaturas por encima del límite de degradación térmica de la matriz (resina), su estructura experimenta descomposición (pirólisis) (Figura 47) y se produce una capa carbonizada o un residuo debido al carbono presente en la estructura orgánica de la resina; al respecto, el carbono es considerado un material ablativo de alto rendimiento. Esta capa carbonizada promueve la retención parcial (aglomeración) de los rellenos incorporados y el proceso de ablación se puede llevar a cabo de manera efectiva, ya que el material puede continuar absorbiendo calor endotérmicamente [14]. Aun considerando las propiedades ablativas de esta capa, el residuo carbonizado y los rellenos pueden erosionarse mecánicamente (delaminación) o eliminarse por fricción, afectando el desempeño y rendimiento del TPS. Para este propósito las fibras cortas de carbono, vidrio y/o asbesto se han incorporado con éxito, logrando mantener la integridad del compuesto ablativo, aumentando su resistencia a la erosión y a los esfuerzos térmicos [5], [16]. Cuando los PACM son expuestos a llama directa o gases de propulsión, el calor se transfiere al material ablativo por fenómenos de conducción, conSOLO PARA USO ACADÉMICO vección y radiación. Al principio, la temperatura del material aumenta a una velocidad que depende del flujo de calor impuesto y de la energía absorbida por el material. En la superficie la temperatura aumenta y cuando el PACM alcanza una temperatura suficientemente alta (generalmente por encima de

los 200 °C), se producen reacciones químicas inducidas térmicamente y la matriz orgánica (resina) sufre el proceso de “pirólisis intensiva”, generando productos volátiles y la capa carbonizada [13]. Como resultado de estas reacciones de degradación, una cantidad sustancial de energía es absorbida por los PACM. Figura 47. Representacion gráfica de las zonas formadas durante la exposición a altas temperaturas de un material ablativo. Fuente: adaptada de [17]. Como se muestra en la Figura 47, los gases producidos durante la pirólisis de la matriz polimérica quedan atrapados en el material, debido a la baja porosidad y la permeabilidad del medio, por lo tanto, la presión interna puede llegar a ser muy alta, lo que lleva a una gran expansión termomecánica de la matriz sólida. Cuando la presión llega a ser suficientemente alta, los gases se difunden a través de la capa carbonizada; en virtud de su presión, los productos de pirólisis forman una capa protectora, que actúa como una barrera contra el flujo de calor que impacta directamente al PACM. Esta película de gas también funciona como una barrera de difusión y controla la velocidad de reacción química entre las especies de combustión y la matriz SOLO PARA USO ACADÉMICO polimérica. Adicionalmente, a medida que la fase gaseosa se filtra a través de la capa porosa del residuo carbonizado, esta absorbe una gran cantidad de calor. Una vez que la región carbonizada transfiere calor a la resina virgen, avanza la pirólisis y la porosidad y permeabilidad de la capa carbonizada aumentan. Estos fenómenos producen una expansión dimensional en los